红外导引头综述_赵善彪

20世纪 80 年代以来 , 红外多元探测器 、 微计 算机技术 、成像技术及跟踪技术等得到了飞速的发 展 , 特别是焦平面红外探测器研制成功 , 如 128 × 128元锑化铟 、 碲镉汞面阵器件 , 为发展第四代红 外导引头奠定了基础 。 红外成像导引头最先应用于 美国 AGM -65D 空地反坦克导弹 , 随着相关技术的 飞速发展 , 目前红外成像导引头也广泛扩展到空空 导弹 、 巡航导弹以及末制导炮弹中 。
飞航导弹 2006年第 8期
第二阶段的红外导引头是在 20世纪 60年代中 期到 70年代中期之间 , 其探测器采用了制冷的硫 化铅或锑化铟 , 工作波段已延伸到 3μm ～ 5μm 的中 红外波段 , 改进了调制盘并提高了位标器的跟踪能 力 , 同时在信号处理电路上进行了改进 , 使这一代 导引头的作战性能得到了较大的提高 。 这一代的典 型产品有美国的 A IM -9D、 法国的马特拉 R530等空 空导弹 。 这一时期的红外制 导武器虽然仍 属尾追 型 , 但导弹的攻击范围得以扩大 , 可以从后方攻击 机动目标 。
1 红外导引头的功能与组成 1. 1 红外导引头的功能
1)接收目标 (飞机 , 坦克等 )的红外辐射 , 完成 对目标的自动搜索 、 识别和捕获 ;
2)隔离弹体的角运动 , 稳定光学 (或天线 )轴 , 为提取目标视线角提供参考系 ;
3) 对 锁定 后 的目 标 进 行 自 动 跟 踪 并实 时 输 出 俯仰 、 偏航两路视线角速度信号 ;
4)输出两路弹轴与光学 (或天线 )轴的框架角 信号 。 1. 2 红外导引头的组成
红外导引头通常由光学系统 、 调制器 、 红外探 测器 、 制冷器 、 陀螺伺服 系统以及 电子线路 等组 成 , 其框图如图 1所示 。其中 , 光学系统 、调制器 、 红外探测器 、 制冷器和陀螺伺服系统所组成的光电 机械系统又叫位标器 , 所以 , 从结构上来看 , 红外 导引头即由红外位标器和电子线路 (舱 )组成 , 示意
精确制导武器能在复杂的战场环境中更好地发 挥效能 , 很大程度上依赖于智能化信息处理方法 。 这对于采取红外成像制导和多模复合制导的第四代 红外导引头有着重要的意义 。这里所说的信息处理 包括目标识别和跟踪算法 以及计算机图像 处理技 术 。 目前 , 常用的目标识别算法有相关法 、 不变矩 法和 投影法 ;在识别目 标后 , 即转 入对目标 的跟 踪 , 基本的跟踪算法有两种 :波门跟踪算法和相关 跟踪算法 。而当前红外导引头中实时处理数字图像 的主要技术途径则主要采用专用高速硬件 , 进行并 行处理 。 从发展看 , 用互联的多微处理机结构或分 布处理机结构来代替中央处理机结构 , 以扩大信号 处理的能力 , 满足导引系统对运算能力提出的更高 要求 , 是目前计算机图像处理技术的一个主攻方向 。 4. 3 陀螺稳定系统
图 1 红外导引头组成框图
图 2 红外导引头结构示意图
本文 2006-01-16收到 , 作者分别系中国 航天时代电子公司七一七一厂在读硕士研究生 、 高级 工程师 、 研究员
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图如图 2所示 。 红外导引头简单工作过程 :光学系统接收目标
红外辐射 , 经调制器 处理成具 有目标信 息的光信 号 , 由红外探测器将 光信号转 换成易处 理的电信 号 , 再经电子线路进行信号的滤波 、 放大 , 检出目 标位置误差信息 , 然后输给陀螺跟踪系统 , 驱动陀 螺带动光学系统进动 , 使光轴向着目标位置误差方 向运动 , 构成导引系统的角跟踪回路 , 实现导引系 统跟踪目标 。导弹制导律所需要的控制信号同时由 电子线路给出 。
框 2)存在角效应 , 影响跟踪精 度 ;
架 3)内环只能加小而轻的负载 , 广泛应用于点源跟踪制导的红外导引头 , 用于红外成 像导引头 , 内框架有所改动 , 应将框架外拉前伸 , 使之能安装成像传感器
框
架
双 1)易于安装各种光学系统 , 因与陀螺系统分装 , 易布局 , 电磁兼容性能好 ;
4 红外导引头的关键技术 4. 1 红外探测器
红外探测器堪称红外导引头的心脏 , 在红外制 导技术的发展中始终起着关键作用 。 它是一种光 / 电或热 /电转换元件 , 可以把探测到的红外辐射信 号转换成微弱的电信号 , 易于显示和识别 , 其质量 的优劣是红外导引头发展水平的重要标志 。根据能 否把目标信息显示成像 , 可分为点源式探测器和成 像式探测器两大类 。 点源式探测器是把目标当作辐 射红外线的点 , 只能显示目标的红外辐射能力 , 不 能反映目标的实际结构与形状 , 按响应方式可分为
2 红外导引头的分类 红外导引头自问世以来得到了快速的发展 , 出
现了各种类型的红外导引头 , 表 1的分类主要是根 据探测系统的不同给出的 , 仅作参考 。
表 1 红外导引头的分类
红 外 导 引 头
调制盘
点源制导
非调制盘
1. 按获 取信息
扫描成像
成像制导
凝视成像
跟踪 2. 按功 能 扫描跟踪
第三阶段的红外导引头起于 20世纪 70年代中 后期 , 其红外探测器均采用了高灵敏度的制冷锑化 铟 , 并且改变了以往的光信号的调制方式 , 多采用 了圆锥扫描和玫瑰线扫描 , 亦有非调制盘式的多元 脉冲调制系统 , 具有探测距离远 , 探测范围大 , 跟 踪角速度高等特点 , 有的还具有自动搜索和自动截 获目标的能力 。因此 , 这一代的红外制导武器可以 全向攻击机 动能力大的 目标 , 典型 产品有美 国的 A IM -9L、苏联的 R-73E、以色列的怪蛇 3、美国的毒 刺及法国的西北风等地对空导弹 。
关键词 红外导引头 红 外探测器 红外成 像制
导 多模复合制导
引 言 导引头技术是精确制导武器的核心技术之一 ,
用来完成对目标的自主搜索 、 识别和跟踪 , 并给出 制导律所需要的控制信号 。红外导引头由于具有制 导精度高 、 抗干扰能力 强 、 隐蔽性好 、 效 费比高 、 结构紧凑 、 机动灵活等优点 , 已成为精确制导武器 的重要技术手段 。红外导引头的研究始于第二次世 界大战期间 , 经过几十年的发展 , 红外导引头已广 泛用于空空导弹 、空地导弹 、 地空导弹和反坦克导 弹以及巡航导弹等 。
DO I 牶牨牥牣牨牰牫牫牳牤j牣issn牣牨牥牥牴牠牨牫牨牴牣牪牥牥牰牣牥牳牣牥牥牳
控制与制导
红外导引头综述
赵善彪 张天孝 李晓钟
摘 要 介绍了红外 导引头 的基本功 能与组 成 , 给出
了红外导引头的 一种分 类方 法并 综述了 其发 展现状 , 最 后 对红外导引头的关键 技术进 行了简 单分析 并对红 外导引 头 的发展趋势作了简单 预测 。
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BGM -109A。斯拉姆导弹 的制导系 统包括 :惯导装 置 、 无线电高度表 、 全球定位系统 、 红外成像导引 头 。正由于采用了末段红外成像制导 , 所以斯拉姆 导弹具有很高的命中精度 (达到 1m ), 并可精确选 择命中部位 , 实施外科手术式攻击 。 此外 , 红外导 引头还广泛应用于末制导炮弹中 , 如 1988年 , 雷锡 恩公司研制的使用双色红外导引头的旋转稳定制导 炮弹 , 1990年投入生产的瑞典 FFV 公司研制的采 用红外焦平面阵列制导的末制导炮弹等 。
近红外
3. 按工 作波段 中红外 远红外
单波段
4. 按工 作模型 双波段
复合制导
3 红外导引头的发展与现状 红外导引头的发展经历了四个阶段 , 现在已进
入更先进的第四代 红外导引 头的研制 、 生产与装 备。
第一阶段的红外导引头是在 20世纪 60年代中 期以前 , 其探测器采用不制冷的硫化铅 , 信息处理 系统为单元调制盘式调幅系统 , 工作波段为 1μm ～ 3μm , 灵敏度低 , 抗 干扰能 力差 , 跟 踪角速 度低 。 这一代的典型产品有美国的响尾蛇 A IM -9B, 苏联 的 K-13、 美国的红眼睛以及苏联的 SAM -7地对空 导弹 。 这一时期红外武器主要用于攻击空中速度较 慢的飞机 。
式
外
框 架
框
2)稳定与跟踪精度高 ; 3)尺寸和质量较大 , 结构复 杂 , 宜用于大口径导弹
架单 式框
架
1)探测 、 跟踪精度高 , 无 φ角效应 ; 2)结构复杂 , 尺寸大 ; 3)限定弹径下 , 难逐次安装 成像系统 、 陀螺马达和力矩马达等器件
稳定系统在红外导引头中有着重要作用 , 它一 方面要稳定光轴 , 另一方面要接受控制信号驱动光 轴去跟踪目标 。无论在点源跟踪还是成像跟踪的红 外导引头中 , 稳像 (图像或像点 )精度都是一个重要 指标 。此外 , 陀螺稳定系统通常由于结构等因素还 决定着导引头的跟踪视场和跟踪速度甚至跟踪精度 等指标 。 红外导引头的稳定系统通常由各种不同类 型或组合的陀螺来完成 , 常见的陀螺稳定系统及其 特点如表 2所示 。
世纪之交 , 红外导引头又有了诸多新动向 。 1997年 , 法 国麦卡红外空空导弹定型 , 2000年投 产 , 2005年 7月 , 首次进行了机载发射测试成功 。 麦卡的被动红外导引头是由法国 SAT 公司研制的 双频段红外成像导引头 , 采用双频段机电扫瞄方案 和完善的信号处理技术 , 具有较远的作用距离和较 好的抗干扰能力 。美国 《航空周刊 》2003年 11月报 道 , 德国 BGT 公司正在发展一种新的红外导引头 , 采用电子控制的微机械视场选择器 , 可改变红外探 测器的观察角 , 不需要有安装焦平面阵列探测器的 环架 , 同时导引头的窗口采用保形结构 , 埋入位于 导弹头部下方的单台涡喷发动机进气口的前端 , 从 而使气动阻 力减 至最小 。 另据英 国 《防务 系统日 刊 》2005 年底 报道 , 法 国武器装 备总局已 经批准 M BDA 公司的捷联式红外导引头模型 (MADRID)投 入使用 , 生 产 MADRID 标志着 MBDA 公司重新涉 足红外成像导引头市场 。 在研制 MADRID 项目的 过程中 , MBDA公司采用了一种创新性技术 , 即大 型格式化红外探测器技术 , 有助于简化导引头瞄准 线系统 。
5 红外导引头的发展趋势 红外导引头的发展趋势之一是由红外点源寻的
制导向红外 成像制导发 展 , 并由第 一代的光 机扫 描向第二代的凝视焦平面阵列发展 , 其工作波段由
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表 2 几种 常见的红外导引头陀螺稳定系统
类型
特 点
内 1)结构简单紧凑 , 尺寸小 , 质量轻 ;
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光子探测器和热探测器 ;成像式探测器能显示红外 辐射目标的图像 , 便于制导系统对目标的识别与跟 踪 , 按成像方式可分为红外光学机械扫描式成像和 红外凝视焦平面阵列式成像 。在美国等技术先进国 家 , 线列探测器已完全达到实用化 , 凝视焦平面阵列 探测器则是当前的主攻方向 。目前 , 在红外成像导 引头中用得较广泛的几种凝视焦平面阵列探测器大 致有 :1)碲镉汞 (H gCdT e)探测器 硅/ CCD混合焦 平面器件 ;2) 锑化铟 (InSb)光伏焦 平面阵列 ;3) 硅化铂 (P tSi)肖特基势垒电荷耦合器件 ;4)非本征 焦平面阵列 。 4. 2 信息处理方法
第四阶段的 红外导引头 起于 20 世纪 70 年代 末 , 其最主要特征就是普遍采用了红外成像制导和 多模复合制导技术 , 再加上 8μm ～ 14μm 波段远红 外探测技术的使用和探测距离 、 跟踪精度等诸多性 能的提高 , 使得第四代红外导引头性能较之前三代 有了较大的飞跃 , 具有了更高的抗干扰能力和真正 意义上的全向攻击能力 , 真正实现了发射后不管 。 这一代的红外制导武器典 型产品有美国 的 A IM 9X、 英国的 ASRAAM 、 法国的麦卡改进型 、 以色列 的怪蛇 4和俄罗斯的 AA-11 射手等空空导弹 , 以及 崔格特 、 海尔法的改进型 、 标枪等反坦克导弹 。 目 前 , 新一代的巡航导弹多趋向于采用红外成像末段 制导 , 如美国的斯拉姆导弹和战斧对陆攻击型